树木病虫害缺陷精准检测方法的综述和展望

周宏威, 姜钦啸, 刘 洋, 周宏举, 李晓冬, 马 玲

(1.东北林业大学机电工程学院, 哈尔滨 150040; 2.国家林业和草原局森林和草原病虫害防治总站, 沈阳 110034;3.东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040)

我国人工林面积居世界首位，在林业发展方面有着巨大的成就，但是我国依旧是缺林少林的国家之一。由于林业资源生产力的不足和质量的低下，导致森林的健康程度较低，生态系统的稳定性较差。同时，我国的天然林大部分为次生林，普遍会受到人为的干预，这也就导致了生态不平衡和危险性病虫的入侵，林业生物病虫害的发生率逐年上升。甚至已经上升为直接影响国家贸易和经济发展的战略问题(孙江华等, 2002)。2004年约有150万公顷的林业受灾面积，560亿元的经济损失是由外来入侵物种松材线虫Bursaphelenchusxylophilus、美国白蛾Hyphantriacunea等造成的(张星耀等, 2004)。2008年病虫害的发生面积高达870万公顷，产生的经济损失高达1 100亿元，被称为“不冒烟的森林火灾”(王金麟等, 2008)。

近年，我国已经成为全球外来林业有害生物发生和危害最为严重的国家之一(赵宇翔等, 2015)。各类病虫害分布遍布全国，且病虫害的暴发面积和发生率逐年上升(迟德富和曹庆杰, 2017)。1982年松材线虫在我国第一次被发现，地点是在南京中山陵园。因早期缺少有效的检测手段，未能及时预测病虫害的暴发，目前我国已经有5亿多棵松树因其病死，共有500多万亩因其毁灭，其中的经济损失高达数千亿元(杨忠岐等, 2018)。国家林业局2019年第14号公告指出，松材线虫病疫情已扩散蔓延至我国18省市自治区580县市区。对我国的生态系统破坏严重，也使我国的森林资源安全因此受到了巨大的威胁。因此，怎样去保护我国重要的林业资源正逐渐提上了我国的林业经济建设的日程。突发性是大部分树木病虫害暴发的共性，难以在病虫害暴发前做到相应的预警。如果树木病虫害在暴发初期没有被检测到，那么后果会十分严重，此类暴发性的后果往往使得使防治工作十分被动(王彦辉等, 2007)。由此可见，对树木内部的病虫害缺陷进行精准检测，做到提前预报树木病虫害的发生十分重要(刘宏利和刘一江, 2015)。

1 树木病虫害缺陷检测传统方法

早期的树木病虫害缺陷检测中，因缺少相应的设备和技术，研究人员主要采用目测法、敲击辨声法和解剖观测法等传统检测方法。受这些检测方法的限制，对树木病虫害缺陷的检测效果并不理想。

目测法是最古老也是最简单的无损检测方法，这种检测方法至今仍在使用，对于判断和验证树木内部病虫害缺陷的检测结果有很大的帮助。利用这种方法对一些如破裂碎片、机械破坏、后期腐朽和严重的虫蛀等情况进行观察判断，根据检测结果来确定检测对象是否存在缺陷。此类方法只能检测到树木表面的病虫害情况，对树木内部病虫害缺陷无法实现观测，只有当内部病虫害十分严重，表现到树皮外部时，才能够进行有效的判断。

敲击辨声法是通过辨别锤子敲击检测对象时发出声音的音色、音调等声音特性来判断树木是否存在空洞、裂纹、腐朽等缺陷(Rossetal., 1998)。但是这类方法的结果不够准确，树木的种类、含水率甚至天气的好坏都会影响检测人员的判断。因此，敲击辨声法过于依赖检测人员的经验，并不能广泛适用。

解剖观测法是最直接，对树木伤害最大且不可逆的一种检测方法，通过将检测对象砍断或砍伤，观测横截面或者树皮内部的具体情况来判断病虫害情况。虽然解剖观测法的准确率较高，但是往往会对树木造成严重的不可逆损伤，同时解剖观测法的随机性较大，所选的树木部位具有偶然性。

无论是目测法、敲击辨声法还是解剖观测法这些传统的检测方法，都不同程度地有着准确性低，易对树木造成不可逆损害，时效性差等缺点，并不能对树木病虫害缺陷进行有效的检测，同时，传统检测方法的效率低，受影响因素较多，不适用于大面积树木病虫害的检测，因此这类传统的检测方法必然会被淘汰。

2 树木病虫害缺陷检测现代方法

针对传统方法准确性低，易对树木造成不可逆损害，时效性差等缺点，近些年研究出了新的检测方法，主要有超声波检测法、应力波检测法和电磁波检测法。虽然大部分研究方法多为木材与活立木内部的缺陷检测，但基于木材或活立木内部缺陷检测的研究基础，逐渐有学者开始利用超声波与电磁波对活立木内部的虫蛀孔洞等进行检测研究，因此本文将上述研究内容一并阐述。表1为树木内部缺陷检测传统方法与现代方法的优缺点对比。

表1 树木内部缺陷检测的传统方法与现代方法优缺点对比

2.1 超声波检测法

超声波检测法的原理主要是依靠超声波在介质传播过程中发生的衰减和散射来确定的。当树木中存在缺陷时超声波的传播就将产生反射、折射和波型转换，通过接收反射回来的超声波，就能够根据波形的变化特征来判断树木内部的缺陷位置、形状及品质变化(丁希发和王浩全, 2009)。超声波检测原理与设备如图1所示。

图1 超声波检测原理图(A)和设备(B)

20世纪80年代，就已经有美国的研究人员对树木进行超声波检测研究，得出通过超声波信号的衰减信号能够判别出内部腐朽的结论，并且频率越低，超声波的检测深度越大(张甜等, 2016)。此外，Mohammed F.Kabir等木材研究人员通过对不同种类的树木检测时发现，树木种类的不同也会影响检测的正确率(王立海等, 2001)。20世纪90年代国内已经开始使用超声波检测仪对松树内部腐朽的位置与大小进行检测(吕立仁, 1999)。此后，超声检测技术开始广泛应用于树木及木材的检测中。

在超声波检测的算法研究中，刘铁男和王立海(2009)使用一发多收超声波对木材内部的孔洞进行检测，通过比较发射与接收到的超声波的波形图来判断木材内部是否存在孔洞，再通过层析成像法与时域衰减成像法对孔洞进行成像。徐华东等(2010)主要对超声波的层析算法进行研究，超声波发射进入树木中，会产生折射，绕射等情况，通过结合射线追踪法与层析算法，能够得到树木内部的二维缺陷图。

2.2 应力波检测法

应力波检测法的基本原理是通过在树木的一端进行敲击时，树木内部会产生应力波的传播，由于木材内部的缺陷或品质的变化，波的传播时间会有差异，通过测得应力波传播时间的差异，可以对树木内部的病虫害缺陷进行判断。应力波检测原理与设备如图2所示。

图2 应力波检测原理图(A)和设备(B)

20世纪50年代，国外的科研工作者开始对应力波无损检测技术进行研究；60年代起，应力波检测进入了树木无损检测的领域。Kristin等(1996)采用应力波法对木材缺陷进行了检测，结果表明，应力波法可以判断木材内部是否存在腐朽、空洞以及木材节子的情况，但不能判断出缺陷的具体位置。Divos和Tanaka(2000)利用应力波技术和声学断层摄影相结合技术开始对树木内部缺陷进行了检测，结果表明，通过选择合理的传感器数量和布置方式可以获取树木内部缺陷的基本截面形状。此后，应力波检测技术也开始广泛被研究人员利用。

如今的应力波成像算法大多基于层析成像法。IABLE应力波成像算法就是通过采集的树木横截面的应力波速度信号，再迭代反演的方法计算波速在树木断层的网格分布而成像(Huanetal., 2018)。杨学春和罗菊英(2011)通过检测原木不同方向上的应力波传播速度，应用分离变量方法，在数学原理上分析了应力波在不同方向上的传播过程，研究了应力波传播过程中的反射与透射现象在不同界面上的原理。

2.3 电磁波检测法

电磁波检测法的基本原理是利用高频电磁波以脉冲形式通过发射天线定向地入射树干内部，当电磁波遇到腐朽或空洞等缺陷时会发生相应的散射，散射波由接收天线接收。通过对接收到的信号进行分析处理，可以完成对树木内部病虫害缺陷的检测(朱孟龙和张庆文, 2019)。电磁波检测原理与设备如图3所示。

图3 电磁波检测原理图(A)和设备(B)

早在20世纪中期的农业领域中，Myers和Allen(1968)就提出基于电磁波的散射特性来获取待测对象的相关信息。更加成熟的电磁波无损检测技术的发展是电磁层析成像(electromagnetic tomography, EMT)技术的产生，其最早由Yu等(1998)提出，此后EMT技术在无损检测领域得到了广泛应用。Butnor等(2009)年使用探地雷达术对3种针叶树种进行检测，发现电磁波能够准确地检测出针叶类树种中的虫蛀缺陷，其检测结果与破坏性检测法的结果一致。此后，电磁波检测技术也开始广泛应用于树木及木材的内部缺陷或蛀道的无损检测中。

在电磁波成像算法的研究中，后向投影(back projection, BP)算法因其原理简单，具有较高的可移植性，应用最为广泛(Kagalenko and Weedon, 1996)。Lv等(2014)通过研究木材介电常数，根据电磁波在健康区域与缺陷区域之间界面的反射时间和传播速度，求得缺陷的位置，在对采集到的数据进行分析，利用插值法获得了重构的断层图像。Sun等(2019)利用全聚焦法，对聚合物改性木材中的缺陷进行了层析成像。通过分析不同类型缺陷的成像特性，证明了电磁波在聚合物改性木材内部缺陷检测中的有效性与快速性。

3 现代检测方法的实际应用情况

3.1 超声波检测法的应用情况

在超声波检测的应用中，必须使用检测探头紧贴树木进行实验，收集的数据准确度与探头的面积大小息息相关。于文勇等(2006)指出了利用超声波检测时，超声探头(直径5 cm)与试件端面的大面积接触会直接影响木材缺陷的定位，而且使用小探头或者减少探头与树木表面的接触面积能够提高检测的准确率。同时频率的高低也影响着检测的分辨率，频率越高，检测的分辨率越高，并且超声波的发射功率也要随之加大。超声波检测法多为定性或者半定量，对此，刘铁男和王立海(2009)引入CT技术，并提出了使用超声波层析成像技术对树木内部缺陷进行成像，成功完成了相应的检测成像。

超声波检测法的一大特点是无论是在哪种检测领域，都需要使用耦合剂，但是使用耦合剂造成环境污染，也使检测的准备工作变得烦琐，所以耦合剂的使用往往不方便也不安全。另外，超声波检测设备常常体积大价格昂贵，不适于野外大范围的检测。对此，国外已经有研究人员开始基于超声波检测技术，研究操作更简便、设备更轻巧、结果更准确的声波技术检测树干内部病虫害。

声波检测技术主要靠声波层析技术完成检测与成像，Gilbert等(2016)对巴拿马共和国热带雨林多种树种的活树干进行声波扫描，通过声波层析成像算法对其进行成像，确定了声波检测技术是一种有效且无创的检测方法，可以对树木内部腐朽及蛀道进行检测。Karlinasari等(2018)使用声波层析技术完成了雅加达公共区域内15种共计300多棵树的树干内部的检测与评估，实验结果与实际情况一致。但是常规声波层析技术容易忽略树干的浅层缺陷，Qin等(2018)提出了使用声激光技术与声波层析成像技术相结合的新型树干缺陷检测方案，实验结果表明，这种技术能够识别树干中存在的浅层缺陷及蛀道。

3.2 应力波检测法的应用情况

应力波检测时所受到的影响因素较多，温度、湿度和树木种类等都会对应力波传播造成不同程度的影响。梁善庆等(2010)根据应力波断层成像理论，采用Fakopp 2D应力波断层成像检测仪对杉木树干进行诊断，将6个传感器按均匀分布方式钉入树干，收集应力波在木材内部的传播时间，利用传播的距离计算应力波的波速进行成像，可以有效地检测出木材内部的腐朽或缺陷，但是裂纹的检测效果不佳。于文勇等(2006)使用应力波检测仪对香樟内部腐损程度进行了实验研究，实验结果显示，应力波的传播速度受树木的内部腐朽程度影响较大，即随着腐朽程度和应力波传播时间的增加，应力波传播速度会显著下降，实际检测中必须考虑这一影响因素。翁翔等(2016)通过对应力波在完好木与缺陷木中的传播速度进行比较，分析不同季节对应力波传播造成的影响，再将不同种类的树木根据针叶类与阔叶类进行分类，对应力波的传播影响进行分析，为后续的研究提供了基础。就国内外的研究现状来看，应力波对于树木内部较大的缺陷检测结果较好，但是针对裂纹与小缺陷的检测结果并不理想，由于病虫害的蛀道通常半径较小，应力波成像的精确度难以达到。

3.3 电磁波检测法的应用情况

电磁波的传播信号衰减及距离与频率相关，对此丁亮等(2009)采用基于Maxwell方程正反演算法来解决高频电磁波的衰减信号较弱的问题。Holmes等(2013)利用频率范围在2.3～6.5 GHz的电磁波对树木进行介电常数测量，得出运用电磁波对活立木内部心边材部位的检测需要频率在4 GHz以上的结论。

用电磁波检测树木内部缺陷或蛀道需要先获得树木的介电常数，树木介电常数的影响因素较多，Lv等(2014)通过研究木材介电常数，分析介电常数与外界温度、树木含水率、电磁波的发射频率之间的关系，根据电磁波在健康区域与缺陷区域之间界面的反射时间和传播速度，求得缺陷的位置，在对采集到的数据进行分析，获得了重构的断层图像。Zhou等(2018)提出了一种改进电容法对树木健康组织的介电常数进行测定，加快了检测的速度与准确性。Sun等(2019)利用全聚焦法，对聚合物改性木材中的缺陷进行了层析成像。通过分析不同类型缺陷的成像特性，证明了电磁波在聚合物改性木材内部缺陷检测中的有效性。

Li等(2018)利用探地雷达对树木内部腐朽与蛀道进行检测，同时基于点云技术对其进行高分辨率成像。这些检测技术均可应用于观察树干和其他圆柱形物体内部缺陷。也为电磁波对树木内部断层图像的未来三维重建提供了技术支持。Alani等(2019)进一步使用电磁波检测技术，对橡树树干内部的蛀道进行检测。通过对结合电磁波层析成像方法完成了3棵直径不同的橡树的检测实验，试验结果表明，电磁波能够准确地完成对树干内部的腐朽和蛀道的检测与成像。

4 小结与展望

本文针对林业科研人员在病虫害检测中所遇到的问题，分析了树木内部病虫害缺陷检测现状，针对各类检测方法和算法的特点进行了总结。传统的定性目测法、简单的敲击辨声法和造成不可逆损害的解剖观测法正在逐渐被现代检测方法所替代。超声波检测法、应力波检测法以及电磁波检测法成为当下主流的精确检测方法，但是每种检测方法都有不同的优缺点。应力波检测法会对树木造成一定程度的破坏，而且容易受其原理及设备等因素的限制，难以对树木内部病虫害蛀道实现精确检测；超声波检测法会受到耦合剂的限制，也易对树木及周边环境产生污染。超声波检测法凭借声波层析技术的不断改进，检测速度与检测质量不断提高，对树木浅层可完成检测。相对而言，电磁波检测技术及成像算法具有操作快捷简单和成像精度高等特点，可以量化评价树木内部病害和虫洞缺陷的位置、大小和形状，对于树木内部病虫害的精准检测会起到积极的作用。

由于树木结构比较复杂，检测过程中树木的密度、含水率对检测结果影响较大，含水率也随地域、树种类别和年龄的差异而改变，甚至同一树木不同部位含水率也有所变化。因此，若在野外大范围应用则需要测量更多类型的树种，建立一个可动态更新的共享模型参数库，以扩大测量模型的适用性。而且任何一种检测方法都有局限性，这就需要克服单一检测方法的缺点，与其他检测方法有机地结合起来，发挥各类检测方法的优点，从而给出适用于树木内部病虫害缺陷的检测方法。若想将树木病虫害检测应用到现场实际中，还需检测仪器的集成创新，研制出适合野外现场测量的便携式仪器，减少仪器校正过程的工作量，向着实用化、智能化、便携化、数字化方向发展，实现自动化智能化的高效检测，在实现大面积检测时能够不受环境等条件的约束，以期在树木病虫害的早期诊断和预警中得到更好的应用。